CN102394731A - 多天线系统的跨层联合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线网络跨层优化技术领域中的一种多天线系统的跨层联合方法。首先，判断多天线系统的自适应调制模式参数，进而确定自适应调制模式的选择概率；然后，通过自适应调制模式的选择概率求得相邻模式的转移概率，得到信道状态转移矩阵；并由数据包到达分布、服务过程和队列等待数据包的状态分布，得到队列服务联合稳态分布；最后，确定溢出丢包率和系统丢包率，确定系统的最优误包率和最优吞吐量。本发明实现了局部最小化系统丢包率和最大化系统的平均吞吐量，以相对简单的算法取得相对最优的跨层性能，最大限度地提升系统频谱利用率，充分利用有限的频谱资源。

Description

多天线系统的跨层联合方法

技术领域

本发明属于无线网络跨层优化技术领域，尤其涉及一种多天线系统的跨层联合方法。

背景技术

传统的分层设计方法由于不允许在各层之间共享信息和各层信息不充分的缺点，难以适应动态变化的无线环境(如用户间干扰、信号衰落、接入冲突等严重)，从而很难保证用户多样和可变的服务质量QoS。跨层设计的本质思想是打破传统的通信系统框架，以满足系统服务要求为目的，将通信系统资源的状态参数(如编码调制方式等)和服务质量QoS参数(如误包率等)在协议层中传递，从而达到各协议层联合设计，充分利用系统资源，为用户提供更好的服务的目的。

多输入多输出MIMO技术可以充分开发空域资源，可以在不额外增加带宽和功率的条件下，成倍提高传输速率和大幅改善链路质量(系统丢包率及吞吐量等)，因此它被很多无线通信系统标准采纳。而空时编码中的空时分组编码可以实现发射天线确定的完全分集，并允许使用基于对接收信号进行线性处理的简单最大似然译码算法，所以空时分组编码在多天线系统中被广泛应用。在实际的MIMO-STBC系统中，系统丢包率不仅由系统接收误差引起，还由链路层有限长队列引发溢出丢包。传统分层单纯考虑溢出或接收误差并不能准确的描述系统的总体性能，只有将这两方面通过跨层设计联合起来才更适合优化实际的多天线系统。

本发明分析了联合物理层自适应调制编码AMC模块、数据链路层有限长队列模块的多输入多输出-空时编码MIMO-STBC系统。通过优化物理层自适应调制编码AMC目标错误率，最小化丢包率以及最大化多输入多输出MIMO无线链路的吞吐量。

发明内容

针对上述背景技术中提到的传统的分层设计方法不能准确描述系统性能等不足，本发明提出了一种多天线系统的跨层联合方法。

本发明的技术方案是，多天线系统的跨层联合方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：判断多天线系统的自适应调制模式的参数，进而确定自适应调制模式的选择概率；

步骤2：通过自适应调制模式的选择概率求得相邻模式的转移概率，进而得到信道状态转移矩阵；

步骤3：在步骤2的基础上，由信道状态转移概率及数据包到达分布，得到队列服务联合分布，进而求得队列服务稳态分布；

步骤4：在步骤3的基础上确定溢出丢包率和系统丢包率，最终确定系统的最优误包率和最优吞吐量。

所述自适应调制模式n的选择概率的计算公式为：

$P_r\left(n\right)={\∫}_{r_n}^{r_{n+1}}{P}_{\mathrm{rSTBC}}\left(r\right)\mathrm{dr}$

其中：

P_r(n)为自适应调制模式的选择概率；

P_rSTBC(r)为MIMO-STBC系统的输出信噪比概率密度函数；

r_n为调制模式信噪比区间边界值。

所述P_rSTBC(r)的计算公式为：

$P_{\mathrm{rSTBC}}\left(r\right)=\frac{r^{\mathrm{mD}-1}}{\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{mD}\right)}\left(\frac{m{N}_t{R}_c}{\stackrel{\‾}{r}}\right)\exp (-\frac{m{N}_t{R}_c}{\stackrel{\‾}{r}}r)$

其中：

r为瞬时信噪比；

m为信道衰落参数；

D为STBC-MIMO系统的分集度；

R_c为STBC码在一个帧周期内的编码速率；

为每一根接收天线端平均接收信噪比。

所述相邻模式的转移概率的计算公式为：

$P_{l,n}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{N_{n+1}{T}_f}{P_r\left(l\right)},& n=l+1\\ \frac{N_n{T}_f}{P_r\left(l\right)},& n=l-1\\ 0,& 2\&le;|n-l|\\ 1-P_{l,n-1}-P_{l,n+1},& n=l,0<l,N\\ 1-P_{\mathrm{0,1}},& n=l=0\\ 1-P_{N,N-1},& n=l=N\end{array}\right.$

其中：

P_l，n为由自适应调制模式l＝{0，1，2，…N}向目标状态自适应调制模式n的转移概率；

T_f为物理层生成帧的固定周期；

P_r(l)为自适应调制l的选择概率；

N_n为目标状态自适应调制模式n的电平交叉率。

所述信道状态转移矩阵的计算公式为：

所述最优误包率为：

argmin(P₀)

其中：

P₀为目标误包率。

所述最优吞吐量为：

arg max(P₀)。

本发明考虑了物理层自适应调制对链路层的缓冲队列的跨层参数传输影响，将链路层溢出丢包率和接收误差丢包率联合起来，并将其转化为关于物理层目标误包率的最优化问题，实现了实际系统的更简洁的建模；它打破了传统分层结构中层与层之间被隔离、层间信息不能实现交互的障碍，考虑了物理层丢包率对链路层队列溢出丢包率的跨层影响，更精确全面的描述系统丢包率、吞吐量等性能，更贴近实际系统。通过选择指定的物理层误包率参数来实现局部最小化系统丢包率和最大化系统的平均吞吐量，以相对简单的算法取得相对最优的跨层性能，最大限度地提升系统频谱利用率，充分利用有限的频谱资源。

附图说明

图1为本发明的实现步骤；

图2为空时编码STBC下和传统模式下的系统丢包率比较图；

图3为空时编码STBC下和传统模式下的系统吞吐量比较图；

图4为系统丢包率随目标误包率变化趋势图；

图5为系统吞吐量随目标误包率变化趋势图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明研究联合数据链路层的队列模块和物理层的AMC模块的MIMO-STBC无线链路模型，并在此基础上，分析设计一种跨层设计，这种设计选择物理层AMC最优目标误包率来最小化丢包率以及最大化系统的平均吞吐量。通过改变相应的参数，能够提升系统性能。

具体实施方式：

1.判断多天线系统的自适应调制模式的参数，进而确定自适应调制模式的选择概率

由仿真拟合可以得出自适应调制模式n(n∈N)下传输的平均误包率P₀并作为物理层的目标误包率，从而确定模式信噪比边界值

(1)MIMO-STBC系统的输出信噪比概率密度函数

使用信道模型描述无线信道质量，根据空时块编码STBC等效单输入单输出(SISO)系统公式，空时块编码STBC解码输出的信噪比是参数为mD和均值为

/R_c的高斯分布，所以系统的输出信噪比概率密度函数为：

$P_{\mathrm{rSTBC}}\left(r\right)=\frac{r^{\mathrm{mD}-1}}{\mathrm{\&Gamma;}\left(\mathrm{mD}\right)}\left(\frac{m{N}_t{R}_c}{\stackrel{\&OverBar;}{r}}\right)\exp (-\frac{m{N}_t{R}_c}{\stackrel{\&OverBar;}{r}}r)---\left(1\right)$

其中：

P_rSTBC(r)为MIMO-STBC系统的输出信噪比概率密度函数；

Γ(·)为高斯函数；

N_t为MIMO系统发射天线的个数；

r为瞬时信噪比；

m为信道衰落参数；

D为STBC-MIMO系统的分集度，D＝N_t×N_r，N_t、N_r分别为MIMO系统发射天线和接收天线的个数；

R_c为STBC码在一个帧周期内的编码速率；

为每一根接收天线端平均接收信噪比，由

得出，其中，

是一个符号周期的平均传输功率，σ²是噪声变量。

(2)调制模式对应的信噪比边界值的确定

在无线系统接收端，基于信道状态信息估计CSI选择调制编码模式并通过一个无差错的反馈信道返回给发送端。这里，每一个帧可能包含一个或更多的链路数据包。在物理层目标误包率为P₀的前提下，AMC根据获取的信道状态信息估计CSI调整传输参数来获得最大的数据速率。整个接收信噪比SNR范围被划分为N+1个非重叠的连续间隔，其中信噪比边界值定义为

为了保证传输，模式n＝0时，速率R₀＝0。根据下式确定信噪比边界值

γ₀＝0

γ_n＝1/g_nln(a_n/P₀)n＝1，2，…N    (2)

γ_N+1＝+∞

其中：

[a_n，g_n]是各调制模式对应的拟合参数集，详见表1；

γ_n为模式n的信噪比区间边界值；

P₀为物理层目标误包率。

当γ∈[γ_n，γ_n+1]时，系统选择调制模式n。为了保证正确传输，假设γ∈[γ₀，γ₁]此区间无比特传输。由公式可知，P₀直接决定边界值。

(3)确定自适应调制模式的选择概率

由接收信噪比分布式(1)和信噪比边界值公式(2)可以得出各自适应调制模式n(n＝0，1，2，…N)的选择概率：

$P_r\left(n\right)={\&Integral;}_{r_n}^{r_{n+1}}{P}_{\mathrm{rSTBC}}\left(r\right)\mathrm{dr}---\left(3\right)$

其中：

P_r(n)为自适应调制模式n的选择概率；

n为第n(n＝0，1，2，…N)种自适应调制模式；

N为系统所用自适应调制模式种类的总数；

P_rSTBC(r)为MIMO-STBC系统的输出信噪比概率密度函数；

r_n为调制模式信噪比区间边界值。

表1传输模式及相应的参数

模式n	1	2	3	4	5
						调制方式n	BPSK	QPSK	QPSK	16-QAM	64-QAM
Rn	1/2	1/2	3/4	3/4	3/4
						an	274.72	90.2514	67.618	53.398	35.351
gn	7.9932	3.4998	1.6883	0.3756	0.0900
						rpn	-1.5331	1.0942	3.9722	10.2488	15.9784

2.获取信道状态转移矩阵

利用有限状态马尔科夫信道模型(FSMC)将不同的自适应调制模式划为离散的信道状态(l＝0，1，2，…N)，通过自适应调制模式的选择概率计算出相邻模式的转移概率。

若信道处于慢衰落状态，即仅在相邻状态发生状态转移，不相邻状态的转移概率是0。

$P_{l,n}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{N_{n+1}{T}_f}{P_r\left(l\right)},& n=l+1\\ \frac{N_n{T}_f}{P_r\left(l\right)},& n=l-1\\ 0,& 2\&le;|n-l|\\ 1-P_{l,n-1}-P_{l,n+1},& n=l,0<l,N\\ 1-P_{\mathrm{0,1}},& n=l=0\\ 1-P_{N,N-1},& n=l=N\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中：

P_l，n为由自适应调制模式l＝{0，1，2，…N}向目标状态自适应调制模式n的转移概率；

T_f为物理层生成帧的固定周期；

P_r(l)为自适应调制l的选择概率；

N_n为目标状态自适应调制模式n的电平交叉率。

N_n的公式如下：

$N_n=\frac{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}\frac{m{\mathrm{\&gamma;}}_n}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}}{f}_d}{\mathrm{\&Gamma;}\left(m\right)}{\left(\frac{m{\mathrm{\&gamma;}}_n}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}\right)}^{m-1}\exp (-\frac{m{\mathrm{\&gamma;}}_n}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}})---\left(5\right)$

其中：

m是Nakagami-m信道衰落参数；

γ_n为模式n的信噪比区间边界值；

为每一根接收天线端平均接收信噪比，

Γ(m)是高斯函数， $\mathrm{\&Gamma;}\left(m\right).={\&Integral;}_0^{+\&infin;}{t}^{m-l}{e}^{-t}\mathrm{dt};$

f_d是多普勒扩展值。

综上，可以得出信道(N+1)×(N+1)维的信道状态转移矩阵P_c：

3.确定队列服务联合稳态分布

由步骤2所求信道状态转移矩阵P_c及数据包到达分布，得到队列服务联合分布，进而求得队列服务稳态分布；

(1)数据包到达分布

假设A_t代表在时间t开始时到达的数据包个数。当E{A_t}＝λ，A_t是稳态的，且独立于队列状态和服务过程。假设A_t服从参数为λ的泊松分布，则有：

P(A_t＝a)＝λ^aexp(-λ)/a！         (7)

(2)确定队列服务联合分布

考虑缓冲区溢出，在时刻t缓冲区中的数据包总数可以表示为：

U_t＝min{k，max{0，U_t-1-C_t}+A_t}    (8)

其中：

U_t为在时间t结束时的缓冲队列中的数据包个数，U_t：＝{0，1，…k}；

k为缓冲区长度；

C_t为在时刻t通过AMC模式从队列移出的数据包个数；

A_t为时间t开始时到达的数据包个数，A_t：＝{0，1，…∞}。

队列状态取决于(U_t-1，C_t，A_t)，由于A_t独立于(U_t-1，C_t)，利用有限状态马尔科夫信道(FSMC)方式求得队列服务状态联合分布P：

$P=\left[\begin{array}{ccc}{A}_{11}& ...& A_{1k}\\ .& & .\\ .& A_{u,v}& .\\ .& & .\\ A_{k1}& ...& A_{\mathrm{kk}}\end{array}\right]---\left(9\right)$

其中：

A_u，v为子矩阵元素。A_u，v的计算公式为：

u，v∈[1，2…k]     (10)

其中：

为队列数据包状态转移概率。

的计算公式为：

$P_{(u,c_0),(v,c_0)}:=P(U_t=v,C_{t+1}=d{U}_{t-1}=u,C_t=c)---\left(11\right)$

$=P(C_{t+1}=d|C_t=c)P(U_t=v{U}_{t-1}=u,C_t=c)$

$=P_{c,d}P(U_t=v|U_{t-1}=u,C_t=c)$

$=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{c,d}P(A_t=v-\max \{0,u-c\left\}\right),& 0\&le;v<k\\ P_{c,d}(1-\underset{0\&le;v<k}{\mathrm{\&Sigma;}}P(U_t=v{U}_{t-1}=u,C_t=c)),& v=k\end{array}\right.$

P_c，d c，d∈[0，1…N]由实现步骤2的信道状态转移矩阵给出。

(3)确定队列服务稳态分布

由于(U_t-1，C_t)的状态分布式存在且唯一，队列稳态分布为：

$P(U=u,C=c):=\underset{t\&RightArrow;\&infin;}{\lim }P(U_{t-1}=u,C_{t-1}=c)---\left(12\right)$

假设∏_(u，c)：＝P(U＝u，C＝c)，通过：

$\mathrm{\&Pi;}=\mathrm{\&Pi;P},\underset{u\&Element;U,c\&Element;C}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&Pi;}}_{(u,c)}=1---\left(13\right)$

得到∏的状态分布即为所求的队列服务稳态分布，其中，∏是P的对应特征值为1的左特征向量。

4.迭代确定优化参数值

(1)确定溢出丢包率

由数据包到达分布(P(A_t＝a))及队列服务联合稳态分布(公式13)确定队列溢出丢包率P_d，显然P_d是P₀的函数。

(2)确定系统丢包率

一个数据包正确传输所要满足的两个条件：无队列溢出和无差错传输，联合考虑物理层目标丢包率P₀，可以确定系统丢包率P＝1-(1-P_d)(1-P₀)。最终体现为关于物理层目标误包率P₀的函数。

则通过优化物理层目标误包率P₀最大化系统性能。

系统的最优误包率为：

argmin(P₀)                   (14)

系统最优吞吐量为：

argmax(P₀)                   (15)

本发明的研究基于联合数据链路层的包队列过程和物理层的AMC模块的MIMO-STBC跨层系统。此发明通过优化物理层AMC目标误包率来最小化丢包率以及最大化系统的平均吞吐量。通过改变相应的参数，能够提升系统吞吐量，对跨层性能有较好的改善。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.多天线系统的跨层联合方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：判断多天线系统的自适应调制模式的参数，进而确定自适应调制模式的选择概率；

步骤2：通过自适应调制模式的选择概率求得相邻模式的转移概率，进而得到信道状态转移矩阵；

步骤3：在步骤2的基础上，由信道状态转移概率及数据包到达分布，得到队列服务联合分布，进而求得队列服务稳态分布；

步骤4：在步骤3的基础上确定溢出丢包率和系统丢包率，最终确定系统的最优误包率和最优吞吐量。

2.根据权利要求1所述的多天线系统的跨层联合方法，其特征是所述自适应调制模式n的选择概率的计算公式为：

$P_r\left(n\right)={\&Integral;}_{r_n}^{r_{n+1}}{P}_{\mathrm{rSTBC}}\left(r\right)\mathrm{dr}$

其中：

P_r(n)为自适应调制模式n的选择概率；

n为第n种自适应调制模式；

N为系统所用自适应调制模式种类的总数；

P_rSTBC(r)为MIMO-STBC系统的输出信噪比概率密度函数；

r_n为第n种自适应调制模式信噪比区间边界值。

3.根据权利要求1所述的多天线系统的跨层联合方法，其特征是所述P_rSTBC(r)的计算公式为：

$P_{\mathrm{rSTBC}}\left(r\right)=\frac{r^{\mathrm{mD}-1}}{\mathrm{\&Gamma;}\left(\mathrm{mD}\right)}\left(\frac{m{N}_t{R}_c}{\stackrel{\&OverBar;}{r}}\right)\exp (-\frac{m{N}_t{R}_c}{\stackrel{\&OverBar;}{r}}r)$

其中：

r为瞬时信噪比；

m为信道衰落参数；

N_t为MIMO系统发射天线的个数；

Γ(·)为高斯函数；

D为STBC-MIMO系统的分集度；

R_c为STBC码在一个帧周期内的编码速率；

为每一根接收天线端平均接收信噪比。

4.根据权利要求1所述的多天线系统的跨层联合方法，其特征是所述相邻模式的转移概率的计算公式为：

$P_{l,n}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{N_{n+1}{T}_f}{P_r\left(l\right)},& n=l+1\\ \frac{N_n{T}_f}{P_r\left(l\right)},& n=l-1\\ 0,& 2\&le;|n-l|\\ 1-P_{l,n-1}-P_{l,n+1},& n=l,0<l,N\\ 1-P_{\mathrm{0,1}},& n=l=0\\ 1-P_{N,N-1},& n=l=N\end{array}\right.$

其中：

P_l，n为由当前自适应调制模式l＝{0，1，2，…N}向目标状态自适应调制模式n的转移概率；

T_f为物理层生成帧的固定周期；

P_r(l)为自适应调制模式l的选择概率；

N_n为目标状态自适应调制模式n的电平交叉率。

5.根据权利要求4所述的多天线系统的跨层联合方法，其特征是所述信道状态转移矩阵的计算公式为：

6.根据权利要求1所述的多天线系统的跨层联合方法，其特征是所述最优误包率为：

arg min(P₀)

其中：

P₀为目标误包率。

7.根据权利要求1所述的多天线系统的跨层联合方法，其特征是所述最优吞吐量为：

arg max(P₀)。

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